北京大学等在辐照加强碳纳米管集成电路研究中取得重要进展

主流集成电路技术遵循摩尔定律发展，即通过缩减硅基互补型金属氧化物半导体（CMOS）场效应晶体管的尺寸，不断升级技术节点，实现集成电路的性能和集成度的提升。此外，集成电路还有其他的重要发展模式，比如增强抗辐照能力，满足航天航空、核工业等特殊应用场景。近年来航天事业的蓬勃发展，特别是深空探测的兴起，对抗辐照芯片提出了更高的要求，使得传统抗辐照集成电路技术发展面临巨大挑战。

碳纳米管（CNT）具有优异的电学性能、准一维晶格结构、化学稳定性好等特点，是构建新型CMOS场效应晶体管和集成电路的理想半导体沟道材料，有望推动未来电子学的发展。并且，由于碳纳米管具有超强的碳-碳共价键、纳米尺度横截面积、低原子序数等特点，有望用来发展新一代超强抗辐照集成电路技术。但是，场效应晶体管中易受高能粒子辐照损伤的部分除了半导体沟道，还有栅介质层和基底，目前已报导的碳纳米管抗辐照器件研究工作尚未对沟道以外的易受损区进行优化，因此未将碳纳米管的超强抗辐照潜力真正发挥出来。

北京大学电子学系碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇-彭练矛课题组与中国科学院苏州纳米与仿生技术研究所赵建文课题组合作，系统地对碳纳米管晶体管进行抗辐照加强设计，制备了对辐照损伤几近免疫的碳纳米管晶体管和集成电路。联合课题组针对场效应晶体管的所有易受辐照损伤的部位采用辐照加强设计，优化晶体管的结构和材料，包括选用半导体碳纳米管作为有源区、离子液体凝胶（Ion gel）作为栅介质、超薄聚乙酰胺(Polyimide)材料为衬底，制备了一种新型的具有超强抗辐照能力的碳纳米管场效应晶体管（见图1）。离子液体凝胶可以在碳纳米管沟道表面形成双电层，减少辐照陷阱电荷；使用超薄聚酰亚胺作为衬底，可以消除高能辐照粒子在衬底上散射和反射所产生的衬底二次辐照效应（见图2），极大增强了晶体管的抗辐照能力。在低辐照剂量率（66.7 rad/s）下，晶体管和反相器电路能够承受15 Mrad（Si）的总剂量辐照。在此基础上，课题组发展了可修复辐照损伤的碳纳米管集成电路，结果表明，经受3 Mrad总剂量辐照的离子胶碳纳米管场效应晶体管和反相器，在100℃下退火10分钟，其电学性能和抗辐照能力均得以修复（见图3）。结合超强抗辐照能力和低温加热可修复特性，可构建对高能辐照免疫的碳纳米管晶体管和集成电路。

图1. 离子胶碳纳米管抗辐照晶体管

图2. 离子胶碳纳米管抗辐照晶体管和集成电路辐照加固机理

图3. 离子胶碳纳米管抗辐照晶体管和集成电路辐照修复效应

该项工作展示了碳纳米管器件和集成电路在抗辐照领域应用的前景，为推进碳基抗辐照芯片的发展奠定了基础。相关研究成果以《辐照加强与可修复的离子胶碳纳米管晶体管和集成电路》（“Radiation-hardened and repairable integrated circuits based on carbon nanotube transistors with ion gel gates”）为题，于2020年8月24日在线发表于《自然 电子学》（Nature Electronics）。北京大学前沿交叉学科研究院2015级博士研究生朱马光与电子学系2019级博士研究生肖洪山为并列第一作者，北京大学电子系碳基电子学研究中心、纳光电前沿科学中心张志勇教授、彭练矛院士和中科院苏州纳米所赵建文研究员为共同通讯作者。中国科学院微电子研究所硕士研究生颜刚平和蒋见花副研究员提供了辐照损伤仿真结果。

上述研究得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、北京市科技计划、国家自然科学基金等资助。